प्रोटॉन में आंतरिक आकर्षण क्वार्क होते हैं, मशीन-लर्निंग विश्लेषण से पता चलता है

प्रोटॉन में चार्म क्वार्क के बारे में 40 साल पुरानी बहस को सर्न और अन्य सुविधाओं में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) के डेटा के एक नए मशीन-लर्निंग विश्लेषण द्वारा सुलझाया जा सकता है। हालांकि, सभी कण भौतिकी इस आकलन से सहमत नहीं हैं।

दशकों से, भौतिकविदों ने बहस की है कि क्या प्रोटॉन में आंतरिक आकर्षण क्वार्क के रूप में जाना जाता है। क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (क्यूसीडी), मजबूत परमाणु बल का सिद्धांत, हमें बताता है कि प्रोटॉन में दो अप क्वार्क और एक डाउन क्वार्क होते हैं जो ग्लून्स नामक बल वाहक द्वारा एक साथ बंधे होते हैं। लेकिन यह भी भविष्यवाणी करता है कि प्रोटॉन, जैसे न्यूट्रॉन या किसी अन्य हैड्रॉन में कई अन्य क्वार्क-एंटी क्वार्क जोड़े होते हैं।

इन अतिरिक्त कणों की बड़ी संख्या उत्पन्न होने के लिए जाना जाता है जब प्रोटॉन के बीच उच्च-ऊर्जा टकराव के दौरान ग्लून्स त्वरित होते हैं, जैसे विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत हमें बताता है कि चार्ज कणों में तेजी आने पर फोटॉन बंद हो जाते हैं। लेकिन जो कम स्पष्ट है वह यह है कि किस हद तक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के भीतर अतिरिक्त क्वार्क हो सकते हैं - तथाकथित आंतरिक क्वार्क जो हैड्रॉन के क्वांटम वेवफंक्शन में योगदान करते हैं।

प्रोटॉन से भारी

वैज्ञानिक आंतरिक अजीब क्वार्क के अस्तित्व पर सहमत हैं, यह देखते हुए कि अजीब क्वार्क में प्रोटॉन की तुलना में बहुत छोटा द्रव्यमान होता है। हालांकि, आंतरिक आकर्षण क्वार्क के अस्तित्व और संभावित योगदान के बारे में अनिश्चितता बनी हुई है। ये क्वार्क प्रोटॉन से भारी होते हैं, लेकिन केवल थोड़ी मात्रा में - इस संभावना को खुला छोड़ते हुए कि वे एक प्रोटॉन के द्रव्यमान के लिए काफी छोटा लेकिन फिर भी देखने योग्य घटक प्रदान करते हैं।

जबकि कुछ शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला है कि आकर्षण क्वार्क एक प्रोटॉन की गति के 0.5% से अधिक नहीं प्रदान कर सकते हैं, जबकि अन्य ने पाया है कि 2% तक का योगदान संभव है।

नवीनतम कार्य में, एनएनपीडीएफ सहयोग - मिलान विश्वविद्यालय, एम्स्टर्डम के मुक्त विश्वविद्यालय और एडिनबर्ग विश्वविद्यालय के भौतिकविदों से बना है - कहते हैं कि इसे "स्पष्ट सबूत" मिला है कि आंतरिक आकर्षण क्वार्क वास्तव में मौजूद हैं। इसने एलएचसी और अन्य जगहों से टकराव के आंकड़ों के आधार पर ड्राइंग करके ऐसा किया है कि यह पहले काम करता था जिसे पार्टन वितरण कार्यों (पीडीएफ) के रूप में जाना जाता है, जिसे वे एनएनपीडीएफ4.0 कहते हैं।

बिंदु जैसे कण

पार्टन एक हैड्रॉन के भीतर बिंदु जैसे कणों का वर्णन करने के लिए एक सामान्य शब्द है, जिसे रिचर्ड फेनमैन द्वारा 1960 के दशक में कण टकराव का विश्लेषण करने के लिए प्रस्तावित किया गया था और अब यह क्वार्क या ग्लूऑन के बराबर है। क्योंकि पार्टन के संवेग, स्पिन और अन्य गुण बहुत बड़े युग्मन की स्थितियों के तहत मजबूत बल द्वारा निर्धारित किए जाते हैं, उनके मूल्यों की गणना परेशान QCD के साथ संभव सन्निकटन का उपयोग करके नहीं की जा सकती है। हालांकि, हैड्रॉन टकरावों के कीनेमेटीक्स का अध्ययन करके, यह संभावना दिखा रहा है कि एक पार्टन के पास एक विशेष पैमाने पर हैड्रॉन की गति का एक निश्चित अंश होगा, संभाव्यता वितरण का निर्माण करना संभव है।

नए शोध में एक आकर्षण क्वार्क के पीडीएफ की गणना इस गति पर विचार करके शामिल है कि यह और तीन सबसे हल्के क्वार्क - ऊपर, नीचे और अजीब - बिखरने की प्रक्रिया में एक टकराने वाले प्रोटॉन में योगदान करते हैं। उन्होंने तब परेशान क्यूसीडी का इस्तेमाल किया - मजबूत युग्मन अभिव्यक्ति के विस्तार में पहले दो या तीन शब्दों का उपयोग करके मजबूत बातचीत का अनुमान लगाया - इस पीडीएफ को केवल सबसे हल्के तीन क्वार्क से विकिरण घटकों से युक्त एक में परिवर्तित करने के लिए। जैसा कि वे इंगित करते हैं, आकर्षण क्वार्क के अपने विकिरण घटक से छीन लिया गया है, इस नए पीडीएफ में केवल आंतरिक आकर्षण शामिल होगा।

पीडीएफ के आकार और परिमाण के साथ प्रयोगात्मक डेटा का सर्वोत्तम मिलान करने के लिए तंत्रिका नेटवर्क का उपयोग करते हुए, वे निष्कर्ष निकालते हैं कि आंतरिक आकर्षण क्वार्क निश्चित रूप से मौजूद हैं। यद्यपि वे इस बात पर काम करते हैं कि आंतरिक आकर्षण प्रोटॉन गति के 1% से कम योगदान देता है, इसकी संबद्ध पीडीएफ दृढ़ता से सिद्धांत से अपेक्षित है - लगभग 0.4 के गति अंश पर एक चोटी (छोटी संभावनाएं शामिल हैं जिसका अर्थ है कि एकीकरण एक छोटा कुल उत्पन्न करता है) बंद करते समय छोटे अंशों में तेजी से। यह अन्य टकराव डेटा से तैयार किए गए पीडीएफ से भी निकटता से मेल खाता है - विशेष रूप से, एलएचसीबी प्रयोग में जेड बोसॉन के उत्पादन और सीईआरएन के यूरोपीय म्यूऑन सहयोग (ईएमसी) से बहुत पहले के आंकड़ों से जुड़े हालिया परिणाम।

NNPDF गणना करता है कि अकेले अपने 4.0 विश्लेषण के डेटा के साथ आंतरिक आकर्षण के वास्तविक होने का सांख्यिकीय महत्व लगभग 2.5σ है, जबकि LHCb और EMC डेटा को भी शामिल करने पर महत्व लगभग 3σ तक बढ़ जाता है। 5σ या उससे अधिक के सांख्यिकीय महत्व को आमतौर पर कण भौतिकी में एक खोज माना जाता है।

"हमारे निष्कर्ष न्यूक्लियॉन संरचना की समझ में एक मौलिक खुले प्रश्न को बंद कर देते हैं, जिस पर पिछले 40 वर्षों से कण और परमाणु भौतिकविदों द्वारा गर्मागर्म बहस की गई है," सहयोग एक पेपर में लिखता है प्रकृति अपने शोध का वर्णन करते हुए।

न्यूट्रिनो अवलोकन

शोधकर्ताओं का कहना है कि वे सर्न के एलएचसीबी और इलेक्ट्रॉन-आयन कोलाइडर (वर्तमान में अमेरिका में ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी में निर्मित) जैसे प्रयोगों में आंतरिक आकर्षण के आगे के अध्ययन के लिए तत्पर हैं। न्यूट्रिनो टेलीस्कोप के अवलोकन भी रुचि के हैं क्योंकि आकर्षण क्वार्क वाले कण पृथ्वी के वायुमंडल में न्यूट्रिनो उत्पन्न करने के लिए क्षय कर सकते हैं। ये माप आंतरिक आकर्षण के आकार और परिमाण को कम करने में मदद कर सकते हैं, साथ ही आंतरिक आकर्षण क्वार्क और एंटीक्वार्क के बीच किसी भी अंतर की जांच कर सकते हैं, "समूह के सदस्य के अनुसार जुआन रोजो एम्स्टर्डम के मुक्त विश्वविद्यालय के।

अन्य विशेषज्ञ भी आगे के आंकड़ों का स्वागत करते हैं लेकिन नवीनतम कार्य के महत्व पर असहमत हैं। स्टेनली ब्रोडस्की अमेरिका में एसएलएसी नेशनल एक्सेलेरेटर लेबोरेटरी में कहते हैं कि परिणाम आंतरिक आकर्षण के लिए "दृढ़" सबूत प्रदान करता है। हालांकि, रमोना वोग्टो लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी, जो अमेरिका में भी है, बताती है कि इसका सांख्यिकीय महत्व कण भौतिकी में खोज के लिए आवश्यक से कम है। "यह परिणाम एक कदम आगे है लेकिन यह अंतिम शब्द नहीं है," वह कहती हैं।

वैली मेल्निचौक थॉमस जेफरसन राष्ट्रीय त्वरक सुविधा में, फिर से अमेरिका में, अधिक महत्वपूर्ण है। निश्चित होने की बात तो दूर, वह एनएनपीडीएफ के सबूतों को इस बात पर आकस्मिक मानते हैं कि यह कैसे आंतरिक आकर्षण को परिभाषित करता है और यह परेशान करने वाली गणना के लिए जो विकल्प बनाता है, उनका तर्क है कि अन्य समूहों की परिभाषाएं जिन्हें सबूत नहीं मिला है, वे समान रूप से मान्य हैं। उनका कहना है कि प्रोटॉन में आकर्षण और एंटी-आकर्षण पीडीएफ के बीच अंतर का अवलोकन एक अधिक सम्मोहक संकेत होगा। "इनके बीच एक गैर-शून्य अंतर सैद्धांतिक योजनाओं और परिभाषाओं के विकल्पों के लिए बहुत कम संवेदनशील है," वे कहते हैं।